進程和線程的區(qū)別，什么是協(xié)程？

進程和線程的區(qū)別

線程與進程相似，但線程是一個比進程更小的執(zhí)行單位。一個進程在其執(zhí)行的過程中可以產(chǎn)生多個線程。與進程不同的是同類的多個線程共享同一塊內(nèi)存空間和一組系統(tǒng)資源，所以系統(tǒng)在產(chǎn)生一個線程，或是在各個線程之間作切換工作時，負(fù)擔(dān)要比進程小得多，也正因為如此，線程也被稱為輕量級進程。另外，也正是因為共享資源，所以線程中執(zhí)行時一般都要進行同步和互斥。總的來說，進程和線程的主要差別在于它們是不同的操作系統(tǒng)資源管理方式。

1. 進程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位，而線程是處理器任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位（根本區(qū)別）

2. 線程是一個比進程更小的執(zhí)行單位。一個進程在其執(zhí)行的過程中可以產(chǎn)生多個線程，線程也被稱為輕量級進程（包含關(guān)系）

3. 同一進程的線程共享本進程的地址空間和資源，而進程之間的地址空間和資源是相互獨立的。（內(nèi)存分配）

4. 一個進程崩潰后，在保護模式下不會對其他進程產(chǎn)生影響，但是一個線程崩潰整個進程都死掉。所以多進程要比多線程健壯。（影響關(guān)系）

5. 每個獨立的進程有程序運行的入口、順序執(zhí)行序列和程序出口。但是線程不能獨立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個線程執(zhí)行控制，兩者均可并發(fā)執(zhí)行。（執(zhí)行過程）

協(xié)程

協(xié)程（Coroutines）是一種比線程更加輕量級的存在，正如一個進程可以擁有多個線程一樣，一個線程可以擁有多個協(xié)程。

協(xié)程不是被操作系統(tǒng)內(nèi)核所管理的，而是完全由程序所控制，也就是在用戶態(tài)執(zhí)行。這樣帶來的好處是性能大幅度的提升，因為不會像線程切換那樣消耗資源。

協(xié)程不是進程也不是線程，而是一個特殊的函數(shù)，這個函數(shù)可以在某個地方掛起，并且可以重新在掛起處外繼續(xù)運行。所以說，協(xié)程與進程、線程相比并不是一個維度的概念。

一個進程可以包含多個線程，一個線程也可以包含多個協(xié)程。簡單來說，一個線程內(nèi)可以由多個這樣的特殊函數(shù)在運行，但是有一點必須明確的是，一個線程的多個協(xié)程的運行是串行的。如果是多核CPU，多個進程或一個進程內(nèi)的多個線程是可以并行運行的，但是一個線程內(nèi)協(xié)程卻絕對是串行的，無論CPU有多少個核。畢竟協(xié)程雖然是一個特殊的函數(shù)，但仍然是一個函數(shù)。一個線程內(nèi)可以運行多個函數(shù)，但這些函數(shù)都是串行運行的。當(dāng)一個協(xié)程運行時，其它協(xié)程必須掛起。

協(xié)程的作用：

協(xié)程只有在非常有限制的情況下，才有一些用處，在單進程單線程任務(wù)中的交互之暇，才有它的用武之地。

協(xié)程算是用戶態(tài)的線程，優(yōu)勢主要是少了內(nèi)核態(tài)用戶態(tài)的切換和能自己來做調(diào)度。 然后協(xié)程一般只在有IO操作的時候才能用到，對于一些會阻塞的IO操作，可以自己選擇協(xié)程切換，等IO就緒了再切回來，可以更充分利用CPU。

進程和線程的切換者都是操作系統(tǒng)，而協(xié)程的切換者是用戶，換時機是用戶自己的程序所決定的。

進程間通信方式IPC

1. 共享內(nèi)存

   共享內(nèi)存是最快的進程間通訊的方式

   相對于其他幾種方式，共享內(nèi)存直接在進程的虛擬地址空間進行操作，不再通過執(zhí)行進入內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用來傳遞彼此的數(shù)據(jù)

2. 信號

   信號量和以前的IPC通信方式不同，信號量的本質(zhì)是計數(shù)器，用于多進程對共享數(shù)據(jù)對象的訪問。

   在進程訪問臨界資源之前，需要測試信號量，如果為正數(shù)，則信號量-1并且進程可以進入臨界區(qū)，若為非正數(shù)，則進程掛起放入等待隊列，直至有進程退出臨界區(qū)，釋放資源并+1信號量，此時喚醒等待隊列的進程。

   信號量本身就是臨界資源，所以必須是原子操作。

3. 管道

   單向，一端輸入，另一端輸出，先進先出FIFO。管道也是文件。管道大小4096字節(jié)。

   • 特點：管道滿時，寫阻塞；空時，讀阻塞。

   • 分類：普通管道（僅父子進程間通信）位于內(nèi)存；命名管道位于文件系統(tǒng)，沒有親緣關(guān)系管道只要知道管道名也可以通訊。

   • 匿名管道與命名管道的區(qū)別：

     • 匿名管道由pipe函數(shù)創(chuàng)建并打開。

     • 命名管道由mkfifo函數(shù)創(chuàng)建，打開用open

     • FIFO（命名管道）與pipe（匿名管道）之間唯一的區(qū)別在它們創(chuàng)建與打開的方式不同，一但這些工作完成之后，它們具有相同的語義。

4. 消息隊列

   消息隊列是先進先出FIFO原則

5. 信號量

   是一個計數(shù)器，用來控制多個進程對資源的訪問，它通常作為一種鎖機制。

用戶態(tài)和核心態(tài)

概念

用戶態(tài)：

當(dāng)一個進程在執(zhí)行用戶自己的代碼時處于用戶運行態(tài)（用戶態(tài)），此時特權(quán)級最低，為3級，是普通的用戶進程運行的特權(quán)級，大部分用戶直接面對的程序都是運行在用戶態(tài)。Ring3狀態(tài)不能訪問Ring0的地址空間，包括代碼和數(shù)據(jù)；

內(nèi)核態(tài)：

當(dāng)一個進程因為系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時處于內(nèi)核運行態(tài)（內(nèi)核態(tài)），此時特權(quán)級最高，為0級。執(zhí)行的內(nèi)核代碼會使用當(dāng)前進程的內(nèi)核棧，每個進程都有自己的內(nèi)核棧。

區(qū)別

• 處于用戶態(tài)執(zhí)行時，進程所能訪問的內(nèi)存空間和對象受到限制，其所處于占有的處理機是可被搶占的

• 而處于核心態(tài)執(zhí)行中的進程，則能訪問所有的內(nèi)存空間和對象，且所占有的處理機是不允許被搶占的。

操作系統(tǒng)分配的進程空間是怎樣的？線程能共享哪些？

1. 程序計數(shù)器，線程私有

2. 虛擬機棧，線程私有

3. 本地方法棧，線程私有

4. 堆，線程公有

5. 方法區(qū)，線程公有

操作系統(tǒng)內(nèi)存管理方式，分頁分段以及段頁式的優(yōu)缺點

內(nèi)存管理方式

內(nèi)存管理方式主要分為：頁式管理、段式管理和段頁式管理。

分頁存儲管理：

頁表是系統(tǒng)為進程建立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過頁表實現(xiàn)從頁（邏輯地址）到頁框（物理地址）的映射。

分段存儲管理：

進程的地址空間被劃分成若干個段，系統(tǒng)為每個段分配一個連續(xù)的物理內(nèi)存區(qū)域，各個不同的段可以離散的放在物理內(nèi)存不同的區(qū)域。

段頁式存儲管理：

將用戶進程的邏輯空間先劃分為若干個段，每個段再劃分為若干個頁。進程以頁為單位在物理內(nèi)存中離散存放，每個段中被離散存放的頁具有邏輯相關(guān)性。

分頁分段以及段頁式的優(yōu)缺點

頁式：

優(yōu)點：沒有外碎片，每個內(nèi)碎片不超過頁的大小。

缺點：程序全部裝入內(nèi)存，要求有相應(yīng)的硬件支持，如地址變換機構(gòu)缺頁中斷的產(chǎn)生和選擇淘汰頁面等都要求有相應(yīng)的硬件支持。增加了機器成本和系統(tǒng)開銷。

段式：

優(yōu)點：可以分別編寫和編譯，可以針對不同類型的段采取不同的保護，可以按段為單位來進行共享，包括通過動態(tài)鏈接進行代碼共享。

缺點：會產(chǎn)生碎片。

段頁式：

優(yōu)點：段頁式管理是段式管理和頁式管理相結(jié)合而成，具有兩者的優(yōu)點。

缺點：由于管理軟件的增加，復(fù)雜性和開銷也增加。另外需要的硬件以及占用的內(nèi)存也有所增加，使得執(zhí)行速度下降。

頁面置換算法有哪些，F(xiàn)IFO為什么不好？如何改進？LRU思想，手寫LRU

1. 最佳置換算法（OPT）（理想置換算法）：從主存中移出永遠(yuǎn)不再需要的頁面；如無這樣的頁面存在，則選擇最長時間不需要訪問的頁面。于所選擇的被淘汰頁面將是以后永不使用的，或者是在最長時間內(nèi)不再被訪問的頁面，這樣可以保證獲得最低的缺頁率。 即被淘汰頁面是以后永不使用或最長時間內(nèi)不再訪問的頁面。（往后看）

   訪問頁面	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
   物理塊1	7	7	7	2		2		2			2			2				7
   物理塊2		0	0	0		0		4			0			0				0
   物理塊3			1	1		3		3			3			1				1
   缺頁否	√		√	√		√		√			√			√				√

2. 先進先出置換算法（FIFO）：是最簡單的頁面置換算法。這種算法的基本思想是：當(dāng)需要淘汰一個頁面時，總是選擇駐留主存時間最長的頁面進行淘汰，即先進入主存的頁面先淘汰。其理由是：最早調(diào)入主存的頁面不再被使用的可能性最大。 即優(yōu)先淘汰最早進入內(nèi)存的頁面。（往前看）

   訪問頁面	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
   物理塊1	7	7	7	2		2	2	4	4	4	0			0	0			7	7	7
   物理塊2		0	0	0		3	3	3	2	2	2			1	1			1	0	0
   物理塊3			1	1		1	0	0	0	3	3			3	2			2	2	1
   缺頁否	√	√	√	√		√	√	√	√	√	√			√	√			√	√	√

3. 最近最久未使用（LRU）算法：這種算法的基本思想是：利用局部性原理，根據(jù)一個作業(yè)在執(zhí)行過程中過去的頁面訪問歷史來推測未來的行為。它認(rèn)為過去一段時間里不曾被訪問過的頁面，在最近的將來可能也不會再被訪問。所以，這種算法的實質(zhì)是：當(dāng)需要淘汰一個頁面時，總是選擇在最近一段時間內(nèi)最久不用的頁面予以淘汰。 即淘汰最近最長時間未訪問過的頁面。（往前看）

   再對上面的實例釆用LRU算法進行頁面置換，如圖所示。進程第一次對頁面2訪問時，將最近最久未被訪問的頁面7置換出去。然后訪問頁面3時，將最近最久未使用的頁面1換出。

   訪問頁面	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
   物理塊1	7	7	7	2		2		4	4	4	0			1		1		1
   物理塊2		0	0	0		0		0	0	3	3			3		0		0
   物理塊3			1	1		3		3	2	2	2			2		2		7
   缺頁否	√	√	√	√		√		√	√	√	√			√		√		√

   實際上，LRU算法根據(jù)各頁以前的情況，是“向前看”的，而最佳置換算法則根據(jù)各頁以后的使用情況，是“向后看”的。

4. 時鐘(CLOCK)置換算法

   LRU算法的性能接近于OPT,但是實現(xiàn)起來比較困難，且開銷大；FIFO算法實現(xiàn)簡單，但性能差。所以操作系統(tǒng)的設(shè)計者嘗試了很多算法，試圖用比較小的開銷接近LRU的性能，這類算法都是CLOCK算法的變體。 簡單的CLOCK算法是給每一幀關(guān)聯(lián)一個附加位，稱為使用位。當(dāng)某一頁首次裝入主存時，該幀的使用位設(shè)置為1;當(dāng)該頁隨后再被訪問到時，它的使用位也被置為1。對于頁替換算法，用于替換的候選幀集合看做一個循環(huán)緩沖區(qū)，并且有一個指針與之相關(guān)聯(lián)。當(dāng)某一頁被替換時，該指針被設(shè)置成指向緩沖區(qū)中的下一幀。當(dāng)需要替換一頁時，操作系統(tǒng)掃描緩沖區(qū)，以查找使用位被置為0的一幀。每當(dāng)遇到一個使用位為1的幀時，操作系統(tǒng)就將該位重新置為0；如果在這個過程開始時，緩沖區(qū)中所有幀的使用位均為0，則選擇遇到的第一個幀替換；如果所有幀的使用位均為1,則指針在緩沖區(qū)中完整地循環(huán)一周，把所有使用位都置為0，并且停留在最初的位置上，替換該幀中的頁。由于該算法循環(huán)地檢查各頁面的情況，故稱為CLOCK算法，又稱為最近未用(Not Recently Used, NRU)算法。

FIFO為什么不好？如何改進？

FIFO原理：按照“先進先出（First In，F(xiàn)irst Out）”的原理淘汰數(shù)據(jù)

FIFO的實現(xiàn)：

1. 新訪問的數(shù)據(jù)插入FIFO隊列尾部，數(shù)據(jù)在FIFO隊列中順序移動；

2. 淘汰FIFO隊列頭部的數(shù)據(jù)；

特點：

>> 命中率 命中率很低，因為命中率太低，實際應(yīng)用中基本上不會采用。

>> 復(fù)雜度 簡單

>> 代價 實現(xiàn)代價很小

image

不好的原因：命中率很低，因為命中率太低，實際應(yīng)用中基本上不會采用。

改進： --> Second Chance

FIFO改進版，如果被淘汰的數(shù)據(jù)之前被訪問過，則給其第二次機會（Second Chance）

實現(xiàn)：

每個數(shù)據(jù)會增加一個訪問標(biāo)志位，用于標(biāo)識此數(shù)據(jù)放入緩存隊列后是否被再次訪問過。

如上圖，A是FIFO隊列中最舊的數(shù)據(jù)，且其放入隊列后沒有被再次訪問，則A被立刻淘汰；否則如果放入隊列后被訪問過，則將A移到FIFO隊列頭，并且將訪問標(biāo)志位清除。

如果所有的數(shù)據(jù)都被訪問過，則經(jīng)過一次循環(huán)后就會按照FIFO的原則淘汰數(shù)據(jù)。

特點：

>> 命中率 命中率比FIFO高。

>> 復(fù)雜度 與FIFO相比，需要記錄數(shù)據(jù)的訪問標(biāo)志位，且需要將數(shù)據(jù)移動

>> 代價 實現(xiàn)代價比FIFO高

死鎖條件，解決方式。

什么是死鎖？

死鎖是指兩個或兩個以上的進程在執(zhí)行過程中，由于競爭資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進下去。此時稱系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)或系統(tǒng)產(chǎn)生了死鎖。

死鎖條件

死鎖的四個必要條件：

• 互斥條件：對所分配到的資源不允許其他線程進行訪問，若其他線程訪問該資源，只能等待，直至占有該資源的線程使用完成后釋放該資源

• 請求和保持條件：線程程獲得一定的資源之后，又對其他資源發(fā)出請求，但是該資源可能被其他線程占有，此時請求阻塞，但又對自己獲得的資源保持不放

• 不可剝奪條件：線程已獲得的資源，在未完成使用之前，不可被剝奪，只能在使用完后自己釋放

• 環(huán)路等待條件：是指線程發(fā)生死鎖后，若干線程之間形成一種頭尾相接的循環(huán)等待資源關(guān)系

如何防止死鎖

以上四個條件是死鎖的必要條件，只要系統(tǒng)發(fā)生死鎖，這些條件必然成立，而只要上述條件之 一不滿足，就不會發(fā)生死鎖。

所以，在系統(tǒng)設(shè)計、進程調(diào)度等方面注意如何不讓這四個必要條件成立，如何確定資源的合理分配算法，避免進程永久占據(jù)系統(tǒng)資源。